作為未來(lái)電池技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)之一，固態(tài)電池具有技術(shù)顛覆的潛力，是下一代電池技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵制高點(diǎn)，因此被譽(yù)為電池產(chǎn)業(yè)的“圣杯”。

這種新型的電池技術(shù)，其電解質(zhì)為固態(tài)而非液態(tài)，因而能夠提供更高的能量密度和更高的安全性，被視為電動(dòng)汽車、電子設(shè)備及電網(wǎng)儲(chǔ)能的理想選擇，兼具高安全性與高性能。

但目前大部分固態(tài)電池正負(fù)極材料中仍普遍含有鋰元素。而鋰資源不僅稀缺、價(jià)格昂貴，且開(kāi)采過(guò)程還可能對(duì)環(huán)境造成破壞。因此，越來(lái)越多研究將目光轉(zhuǎn)向資源豐富、成本較低且環(huán)境負(fù)擔(dān)較輕的替代材料——鈉。

不過(guò)，盡管鈉基固態(tài)電池潛力巨大，但鈉固體電解質(zhì)的室溫離子電導(dǎo)率有限，導(dǎo)致以往制備的固態(tài)鈉基電池在室溫和低溫條件下性能不盡如人意。最新研究顯著提升了鈉基固態(tài)電池的性能基準(zhǔn)，向?qū)嶋H應(yīng)用邁出關(guān)鍵一步。

近日，美國(guó)芝加哥大學(xué)與新加坡科技研究局材料研究與工程研究所合作研制出一款鈉基固態(tài)電池。該電池能在零攝氏度以下低溫環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。這一突破有望增強(qiáng)鈉基固態(tài)電池的競(jìng)爭(zhēng)力。

相關(guān)研究成果已于9月16日發(fā)表于最新一期《焦耳》雜志。論文第一作者、來(lái)自于新加坡科學(xué)家吳鎮(zhèn)安（Jin An Sam Oh）表示，這項(xiàng)研究有助于使鈉在電化學(xué)性能方面與鋰處于更平等的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境中。

他指出：“我們的突破在于應(yīng)用了一種從未被報(bào)道過(guò)的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，這種氫硼酸鈉亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)具有非常高的離子電導(dǎo)率，至少比文獻(xiàn)報(bào)道的離子電導(dǎo)率高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，較其前體材料更是提高了三至四個(gè)數(shù)量級(jí)。”

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)將亞穩(wěn)態(tài)氫化硼酸鈉加熱至結(jié)晶溫度后迅速冷卻，以動(dòng)力學(xué)方式成功穩(wěn)定了其晶體結(jié)構(gòu)。這一方法雖屬成熟工藝，卻是首次應(yīng)用于固體電解質(zhì)領(lǐng)域，其技術(shù)可行性有望加速該成果從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化。

“既然這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成熟，我們將來(lái)就能更好地?cái)U(kuò)大規(guī)模，” 吳鎮(zhèn)安說(shuō)?！叭绻闾岢鲆恍┬碌臇|西，或者需要改變或建立流程，那么業(yè)界會(huì)更不愿意接受它。”

團(tuán)隊(duì)隨后將氫化硼酸鈉與涂覆氯化物基固體電解質(zhì)的O3型陰極結(jié)合，構(gòu)建出厚度更大、面積負(fù)載更大的陰極，這使得這種新設(shè)計(jì)超越了以往的鈉電池。與薄陰極的設(shè)計(jì)策略不同，厚陰極可減少非活性材料比例，從而提升電池的能量密度。

在此項(xiàng)研究中，科研人員結(jié)合計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，評(píng)估了氫硼酸鈉的亞穩(wěn)態(tài)，并表明從結(jié)晶狀態(tài)快速冷卻可在動(dòng)力學(xué)上鎖定正交相，從而實(shí)現(xiàn)快速的 Na +遷移。當(dāng)與氯化物基固體電解質(zhì)涂層正極配合使用時(shí)，這種亞穩(wěn)態(tài)相可實(shí)現(xiàn)厚的、高面積負(fù)載的復(fù)合陰極，并在零下溫度下保持性能。

來(lái)源：鈉基固態(tài)電池設(shè)計(jì)取得突破

來(lái)源：芝加哥大學(xué)

這項(xiàng)研究的意義可能對(duì)未來(lái)的儲(chǔ)能系統(tǒng)產(chǎn)生變革性的影響。通過(guò)提高鈉基電池的能量密度，該團(tuán)隊(duì)有助于構(gòu)建一種更可持續(xù)的能源消耗模式，從而大大降低對(duì)鋰的依賴。鑒于電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)和可再生能源并網(wǎng)對(duì)清潔能源解決方案的需求日益增長(zhǎng)，這一進(jìn)展尤為重要。

盡管這項(xiàng)研究標(biāo)志著向前邁出了重要一步，但像吳鎮(zhèn)安這樣的研究人員承認(rèn)，旅程才剛剛開(kāi)始?！扒懊娴穆愤€很長(zhǎng)，但我們的工作是朝著釋放鈉基電池技術(shù)全部潛力邁出的重要一步，”他指出，并強(qiáng)調(diào)了在這一激動(dòng)人心的領(lǐng)域繼續(xù)進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)的需求。

“這不是鈉和鋰的問(wèn)題。我們兩者都需要。當(dāng)我們思考未來(lái)的儲(chǔ)能解決方案時(shí)，我們應(yīng)該設(shè)想同一個(gè)超級(jí)工廠可以生產(chǎn)基于鋰和鈉化學(xué)的產(chǎn)品，”芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院（UChicago PME）劉氏家族分子工程教授Y. Shirley Meng說(shuō)道?！斑@項(xiàng)新研究讓我們更接近最終目標(biāo)，同時(shí)也推動(dòng)了基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展?！?/span>

這不僅是一項(xiàng)技術(shù)突破，更在電化學(xué)性能層面拉近了鈉與鋰的競(jìng)爭(zhēng)距離，展現(xiàn)出重要的科學(xué)價(jià)值與應(yīng)用前景。隨著鈉技術(shù)逐漸成為一種強(qiáng)有力的替代方案，成熟技術(shù)與創(chuàng)新研究實(shí)踐的持續(xù)融合，或?qū)㈧柟题c在未來(lái)電池技術(shù)中的地位。